鐵路混合梁斜拉橋動靜載荷載試驗研究

胡曉東，魏博豪，王 炎，陳 勇

（1.中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230041；2.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；3.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市 200032）

0 引 言

甬江鐵路斜拉橋?qū)儆趯幉ㄨF路樞紐貨運列車外環(huán)線的控制性工程，是國內(nèi)首座大跨度鐵路混合梁斜拉橋。該橋設(shè)置為雙線Ⅰ級電氣化鐵路，設(shè)計荷載選用中—活載，貨車最高運行時速為120 km/h。甬江鐵路斜拉橋主橋為鐵路鋼-混混合梁斜拉橋，梁體全長為909.1 m，邊跨為4跨混凝土箱梁，孔跨按照（53+50+50+66）m布置，主跨為468 m鋼箱混合梁。甬江橋承受荷載大，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，施工難度較大。在主梁設(shè)計及施工過程中，缺乏可供參考的工程案例和數(shù)據(jù)資料。為確保成橋效果，眾多學(xué)者圍繞該橋展開進行了許多研究工作[1-4]。

對于大跨度的混合梁斜拉橋，以往研究工作大多依據(jù)理論分析和模型試驗展開。但事實上，由于此類橋梁橋體結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工技術(shù)含量高，需利用有限元軟件模擬各施工階段，根據(jù)理論數(shù)據(jù)制定動靜載試驗方案，對主橋進行動靜載試驗，以此來評估橋梁在試驗荷載作用下的工作狀態(tài)，檢驗其是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求，為其他橋梁工程提供參考。

本文以甬江鐵路斜拉橋為例，介紹了基于MIDAS/CIVIL有限元模型，依照試驗方案在各種設(shè)定工況下開展動靜載的試驗，總結(jié)歸納了此類大跨度鐵路斜拉橋動靜載試驗的經(jīng)驗。

1 甬江橋整體有限元分析

為確保測試結(jié)果能更真實的反映所測橋體結(jié)構(gòu)的實際受力狀況以及承載力，如何在超大尺寸的橋體上恰當(dāng)?shù)淖龀鲞x擇，就需要依靠有限元分析軟件來實現(xiàn)[5-7]。

1.1 有限元模型的建立

采用MIDAS/CIVIL對主橋梁體、斜拉索、橋塔、橋墩及承臺等結(jié)構(gòu)進行模擬，全橋共計999個單元。邊界條件設(shè)置時，邊跨縱梁在P1#—P4#、P7#—P10#墩處設(shè)置豎向支承，主梁與橋塔間橫系梁間采用彈性連接，橋梁結(jié)構(gòu)為半飄浮體系。橋墩與基礎(chǔ)采用固結(jié)方式。整橋有限元模型如圖1所示。

1.2 有限元模型靜力分析結(jié)果

基于設(shè)計資料，在有限元模型中對各施工階段進行模擬，得到控制截面的彎矩影響線，如圖2、圖3所示，以及設(shè)計活載彎矩及位移包絡(luò)圖，如圖4、圖5所示。

圖3 主跨鋼混結(jié)合段截面彎矩影響線

圖4 主梁設(shè)計活載彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖5 主梁設(shè)計活載位移包絡(luò)圖（單位：m）

1.3 有限元模型自振分析結(jié)果

對主橋進行動力特性分析，得到自振特性分析結(jié)果，如表1所示，部分振型曲線如圖6、圖7所示。

表1 主橋自振特性分析結(jié)果

圖6 主梁一階豎彎振型圖（f=0.436 Hz）

圖7 主梁二階豎彎振型圖（f=0.553 Hz）

1.4 試驗工況選取

結(jié)合橋梁的實際情況和有限元分析結(jié)果，選取若干截面作為試驗控制截面，各截面布置如下圖8、圖9所示。

圖8 試驗截面洪塘岸半跨布置圖（單位：m）

圖9 試驗截面云龍岸半跨布置圖（單位：m）

2 試驗方案

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過靜載試驗，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)實際性能是否達到設(shè)計要求；判定橋梁能否保證貨運列車安全運行；檢驗并判斷橋梁是否滿足設(shè)計及運輸要求，為橋梁交工驗收、提供技術(shù)依據(jù)。

2.2 初始狀態(tài)測試

正式試驗前，需根據(jù)施工坐標(biāo)控制網(wǎng)對橋面布置的各測點進行高程測量。測點應(yīng)沿橫橋向?qū)ΨQ布置。此外，還需對橋塔三維線形以及所有斜拉索索力進行測試。

2.3 靜載試驗

基于計算結(jié)果，確定靜載試驗內(nèi)容如下：

（1）A-A～N-N工況下，對各加載試驗截面進行應(yīng)力測試；

（2）A-A～C-C、O-O工況下，選擇其中索力最大的3對斜拉索進行索力增量測試；選擇主跨中加載車輛最多的工況，利用索力健康監(jiān)測系統(tǒng)對主跨索力進行全測；

（3）橋塔塔頂縱向水平偏位測試；

（4）主跨箱梁八分點豎向撓度測試，其它試驗跨箱梁四分點豎向撓度測試；

（5）支座、阻尼器位移測試；

（6）箱梁縱向位移及梁端轉(zhuǎn)角測試；

在進行測點布置時，應(yīng)有針對性的進行應(yīng)力測點、撓度測點、位移測點、轉(zhuǎn)角測點以及索力測點的布置。以梁體加載截面靜應(yīng)力測點為例，在A-A～E-E工況、G-G～N-N工況試驗截面中，單個混凝土截面布置17個靜應(yīng)力測點，單個鋼箱梁截面布置20個靜應(yīng)力測點。梁體試驗截面具體測點布置見圖10、圖11。

圖10 混凝土梁試驗截面靜應(yīng)力測點布置圖（單位：cm）

圖11 鋼箱梁試驗截面靜應(yīng)力測點布置圖（單位：cm）

靜載試驗荷載[8]用列車充當(dāng)（機車為DF4型，車輛為C70貨車）。每一個檢驗項目所需列車重量及編組，應(yīng)根據(jù)設(shè)計控制荷載產(chǎn)生的最不利效應(yīng)值按下式等效換算得到：

式中：η為靜力試驗荷載效率；Sst為試驗荷載作用下檢驗項目計算效應(yīng)值（某檢驗特定位置的變形、內(nèi)力或應(yīng)力值）；S為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的計算效應(yīng)值（不計動力系數(shù)）；δ為動力系數(shù)。

靜載試驗荷載應(yīng)該根據(jù)靜載試驗加載項目，對列車進行相應(yīng)解編，來滿足各工況中最不利的加載情況。甬江橋各試驗工況的荷載效率系數(shù)介于0.75～0.88之間。

2.4 動載試驗

基于計算結(jié)果，選取B-B、D-D、E-E、G-G、I-I截面來進行動載試驗，具體試驗內(nèi)容如下：

（1）脈動試驗

測定橋跨結(jié)構(gòu)的振型、臨界阻尼比和固有模態(tài)頻率。

（2）制動試驗

測定在車輛制動荷載作用下橋跨結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，制動速度為40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h。

（3）行車試驗

測定橋跨結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)，行車速度包括：5（標(biāo)定車速試驗）、40 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h。

在進行測點布置時，應(yīng)有針對性的對動撓度測點、動應(yīng)變測點、加速度測點、橫向和豎向振幅測點以及主梁振型測點進行布置。以動撓度測點為例，應(yīng)在主跨跨中截面（B-B）橫向布置1個測點，具體測點布置見圖12。

圖12 動撓度測點橫向布置圖（單位：cm）

主橋行車試驗采用貨車單向行車。制動試驗和行車試驗單列貨車由2DF4D+20C70（重車）+20C70（空車）編組組成。動載試驗包括行車試驗和制動試驗，先進行行車試驗，然后進行制動試驗。

3 試驗結(jié)果分析及比較

3.1 初始狀態(tài)線形測試結(jié)果分析

篇幅有限，表2、表3列出了部分試驗數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果。基于實測結(jié)果可知，各測試部位的橋面初始高程、偏位、橋塔初始線形、恒載索力值均與設(shè)計值符合較好。

表2 洪塘岸實測索力值與設(shè)計索力值對比

表3 洪塘岸索塔初始線形檢測結(jié)果

3.2 靜力試驗結(jié)果分析

基于試驗結(jié)果，得出各試驗截面的撓度、應(yīng)力、塔頂水平偏位、阻尼器位移、梁端轉(zhuǎn)角、支座位移以及索力的實測值與計算值較符合。表4、表5列出了部分試驗數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果。

圖13 洪塘岸索塔實測線形與設(shè)計線形對比圖

表4 部分滿載加載試驗撓度實測值與計算值比較

表5 部分試驗截面應(yīng)力實測值與計算值比較

3.3 動載試驗結(jié)果分析

表6、表7為部分根據(jù)測試部位的實測加速度時程曲線分析得到的對應(yīng)加速度測試結(jié)果。由測試結(jié)果可以看出：甬江橋的主跨跨中處橋面橫、豎向加速度分別介于0.10~1.10 m/s2和0.34~1.11 m/s2之間；橋塔處的橋面橫、豎向加速度分別介于0.03~0.32 m/s2和0.12~0.95 m/s2之間；P6#墩的墩頂橫、縱向加速度分別介于0.01~0.15 m/s2和0.01~0.09 m/s2之間。

表6 部分試驗截面行車實測振動加速度 單位：m/s 2

表7 部分試驗截面制動實測振動加速度 單位：m/s 2

根據(jù)《新建時速200公里客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》[9]（鐵建設(shè)函[2003]205號）第5.3.2條規(guī)定：“道砟橋面強震頻率不大于20 Hz的豎向振動加速度a≤0.35g”。橋跨結(jié)構(gòu)實測豎向加速度最大值發(fā)生在行車速度為80 km/h時的主跨跨中處，其值為1.11 m/s2，小于規(guī)定，表明橋跨結(jié)構(gòu)的豎向動力性能良好。根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[10]10.0.5條第2項規(guī)定：“橋跨結(jié)構(gòu)在荷載平面的橫向振動加速度a不應(yīng)超過1.4 m/s2”。橋跨結(jié)構(gòu)實測橫向加速度最大值發(fā)生在制動速度為70 km/h時的主跨跨中處，其值為1.10 m/s2，小于規(guī)定，表明橋跨結(jié)構(gòu)的橫向動力性能良好。

表8~表11為根據(jù)脫軌系數(shù)和減載率實測時程曲線圖得到的橋跨結(jié)構(gòu)脫軌系數(shù)及減載率測試結(jié)果。

表8 甬江特大橋行車脫軌系數(shù)實測值

表11 甬江特大橋制動減載率實測值

表9 甬江特大橋制動脫軌系數(shù)實測值

表10 甬江特大橋行車減載率實測值

分析測試結(jié)果可得：橋跨結(jié)構(gòu)的行車減載率介于0.08~0.39，制動減載率介于0.03~0.16；行車脫軌系數(shù)介于0.24~0.55，制動脫軌系數(shù)介于0.07~0.27。

根據(jù)規(guī)范《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》[11]（GB 5599—85）第3.3.3.1條規(guī)定，減載率的限值為0.60。行車速度為80 km/h時，橋跨結(jié)構(gòu)的最大減載率為0.39，小于規(guī)定值，滿足要求。根據(jù)規(guī)范《鐵道機車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準(zhǔn)》[12]（TB/T 2360—93）第2.2.2.1條規(guī)定，當(dāng)最大脫軌系數(shù)小于等于0.6時，評定等級為優(yōu)良。行車速度為80 km/h時，橋跨結(jié)構(gòu)的最大脫軌系數(shù)為0.55，小于規(guī)定值，等級為優(yōu)良。

4 結(jié)論

（1）甬江橋的橋面初始高程、恒載索力、橋塔初始線形與設(shè)計值符合較好。

（2）甬江橋的主橋橋跨結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度，滿足設(shè)計荷載，即雙線“中—活載”的要求。

（3）甬江橋的設(shè)計以及施工質(zhì)量良好。橋跨結(jié)構(gòu)的橫向振幅、脫軌系數(shù)以及加速度等均滿足規(guī)范要求。